JP2010230673A - 光ファイバ・ジャイロスコープにおける変調歪みによる回転検知エラーを抑制するための最適変調振幅の判定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】回転検知のために行われる変調による歪みを低減する。
【解決手段】共振型光ファイバ・ジャイロスコープ２００は、時計回り（ＣＷ）及び反時計回り（ＣＣＷ）系統それぞれに、エラー制御回路２１０、２２０を備え、これらエラー制御回路のＡＭＳＨＧ部は、ＣＷ及びＣＣＷ変調生成器２０、３０によって生成された共振追尾変調信号の第２高調波での変調信号と共振追尾変調と調和関係にない周波数で変調された振幅を出力する。これらの出力信号は、ＣＷ及びＣＣＷ変調生成器２０、３０で生成された信号と共に、ＭＣ部の利得素子によって増幅され、かつＣＷ及びＣＣＷ光検出器１８、２８からの信号と器２６、３６によって加算される。これら加算機の出力により、ＣＷ及びＣＣＷレーザ周波数制御部３８、４０が制御され、これにより歪みを低減する。
【選択図】図２

Description

本発明は、光ファイバ・ジャイロスコープにおける変調歪みによる回転検知エラーを抑制するための最適変調振幅の判定に関する。

共振型光ファイバ・ジャイロスコープ（ＲＦＯＧ）は、高性能でありながら小型で低コストであるため、ジャイロ及び慣性航法の多くの市場におけるニーズを満たす潜在性を有している。図１は従来型のＲＦＯＧ１０を示しており、時計回り（右回り：ＣＷ）のレーザ１２、反時計回り（左回り：ＣＣＷ）のレーザ１４、光ファイバ共振器１６、及び少なくとも共振結合及び共振追尾（又は共振検出）の機能を提供する電子回路（「電子装置」）を備える。ＣＷレーザ１２から共振器１６に光を入射すると、ＣＷ光検出器１８により共振器１６のＣＷ出力が検出される。

ＣＷ光検出器１８の下流にある電子装置には、ＣＷ変調生成器２０、ＣＷ復調器２２、ＣＷ積分器２４、及び加算器２６が含まれており、該電子装置は、ＣＷレーザ周波数を共振器１６の共振周波数に制御する。共振周波数は、ＣＷ変調生成器２０を用いてｆ_１でレーザ周波数を変調し、次にＣＷ復調器２２を用いてｆ_１でＣＷ光検出器１８の出力を復調することによって検出される。共振周波数では、ＣＷ光検出器１８のｆ_１信号は、ゼロ振幅を通過する。ＣＷ積分器２４は、ＣＷレーザ・ドライバ３８を介したレーザ周波数を、ＣＷ復調器２２の出力がゼロになるまで調節することによって、共振周波数に制御する。ｆ_１における変調は、加算器２６によって、ＣＷ積分器２４の出力と電子的に加算される。ＣＣＷレーザ１４も同様の様式でＣＣＷ共振周波数に制御される。ただし、共振器１６における伝播の特定方向からの光が不測にも別の方向の光に結合してしまう場合に生じるエラーを除去するために、変調周波数ｆ_２はｆ_１と相違するのが通常である。

ＲＦＯＧの性能の主な制約の１つは、回転検知のために必要な変調による歪みに由来する。ＩＦＯＧ（干渉型光ファイバ・ジャイロスコープ）は固有周波数（eigenfrequency）と称される固有の特性を有しており、この固有周波数では、変調の歪みによる回転検知器のエラーはゼロに低減される。ＲＦＯＧはこのような固有振動数を有していない。超低歪みの電子回路が有用ではあるが、歪み限度の要件を満たすに至らないのが通常である。

本発明の一実施形態における、基本共振周波数で第１共振検出変調信号を生成するよう構成された第１波生成器を有する共振型光ファイバ・ジャイロスコープ（ＲＦＯＧ）で実施可能な方法には、少なくとも１つの第２波生成器を用いて、第１変調信号の偶数高調波で第２変調信号を生成するステップが含まれる。第２信号は、第１信号と調和関係にない周波数で振幅（ＡＭ）変調される。加算器によって第１信号が第２信号に加えられ、共振出力バイアス・エラー信号が生成される。エラー信号によって、最適振幅が求められる。

従来例のＲＦＯＧを示す図である。 本発明の実施形態に係るＲＦＯＧを示す図である。 図２のＲＦＯＧの構成要素を示す図である。 本発明の代替的な一実施形態に係るＲＦＯＧを示す図である。

一実施形態では、共振追尾変調を、変調歪みによる回転検知エラーがゼロに低減されるように特別すなわち最適な振幅に設定できる。以下の解析的導出式が、本発明の原理を論じるために提供される。共振関数は多項式で単純化されるが、完全にシンメトリックな共振関数は、偶数次のみの多項式であると想定される。式（１）で示されるように、マイナス符号付の４次の項は、符号を変更する第２の導関数（derivative）を有する共振関数の近似値を得るためである。

基本周波数及び第２高調波での変調によって、以下が生じる。

基本周波数で振動する成分ｙは、式（３）で求められる。これは共振器の基本周波数での出力信号であり、正弦波復調を仮定としている。

式（３）で表される信号は、バイアス・エラーであり、これは、変調が共振周波数がセンターとなるように設定されているからである。変調の振幅が以下の式で表される場合、バイアス・エラーはゼロになる。

式（４）は、最適振幅を表している。最適振幅は第２高調波への依存度が低い。しかしながら、第２高調波変調振幅は、基本周波数での変調振幅と比べて極めて微小にできる。微小な第２高調波変調振幅に関して、次の式は極めて有効な近似式である。

しかしながら、時間の経過と共に、環境の変化及びジャイロ部品の経年劣化によって、この最適振幅はドリフトする。通常のジャイロ操作時の最適振幅を求めて、変調振幅が最適振幅で維持されるようにする必要性がある。

本発明の一実施形態では、所定の変調処理及び復調処理を行うことで、歪みによる回転エラーをゼロにするための最適共振追尾変調振幅からの逸脱を示すエラー信号が生成される。そしてエラー信号は、共振追尾変調振幅を最適値に制御する等のために、サーボによって用いられる。

本発明の一実施形態では、主（一次）共振追尾変調信号に加えて、該主変調信号の偶数高調波である振幅変調された信号が含まれる。これによって、振幅変調の周波数及び共振追尾変調振幅からの逸脱を示す振幅を有するジャイロのレート出力内に、エラー信号が生成される。サーボはエラー信号を使用して、エラー信号をゼロにするように制御することによって、共振追尾変調の振幅を最適振幅に制御する。

本発明の実施形態は、プログラム・モジュール等の１又は複数のコンピュータ・プロセッサあるいは別のデバイスによって実行される、コンピュータにより実行可能なインストラクションの一般的なコンテキストに記述される。プログラム・モジュールには、ルーティン、プログラム、オブジェクト、コンポーネント、データ構造等が通常は含まれ、特定のタスクの実行、又は特定の抽象データ型の実装をする。プログラム・モジュールの機能は、多様な実施形態において所望のように組み合わせ又は分割されるのが通常である。

図２は、本発明の一実施形態に係るＲＦＯＧ２００を示している。図２に示されるＲＦＯＧ２００の素子で、図１に示されたものと同様又は同一の素子は、同じ参照番号で示されている。図２で示されるＲＦＯＧは、少なくとも何らかの形式のコンピュータ読取可能媒体を含んでいるか、ないしは別の方法でそれを使用しており、該コンピュータ読取可能媒体は、１又は複数のプロセッサ及び／又はメモリ・デバイスを伴っている。

コンピュータ読取可能媒体は、上述の動作環境の１又は複数のコンポーネントによってアクセス可能な、任意の利用可能な媒体である。例示すると、コンピュータ読取可能媒体にはコンピュータ記憶媒体及び通信媒体が含まれるが、これに限定するものではない。コンピュータ記憶媒体には、コンピュータ可読インストラクション、データ構造、プログラム・モジュール又は別のデータ等の、情報を記憶するための任意の方法及び技術で実現される、揮発性及び不揮発性の取り外し可能及び不可能の媒体が含まれる。コンピュータ記憶媒体には、ＲＡＭ、ＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ、フラッシュメモリ又は別のメモリ技術、ＣＤ−ＲＯＭ、デジタル多用途ディスク（ＤＶＤ）又は別の光学式記憶装置、磁気カセット、磁気テープ、磁気ディスク記憶装置又は別の磁気記憶デバイス、あるいは所望の情報を格納するために使用可能で、且つ上述の動作環境の１又は複数のコンポーネントによってアクセス可能な、任意の別の媒体が含まれる。通信媒体は通常、コンピュータ可読インストラクション、データ構造、プログラムモジュール、又は搬送波又は別の搬送メカニズム等の変調されたデータ信号内の別のデータを記憶し、且つ任意の情報配送媒体を含んでいる。「変調されたデータ信号」という用語は、信号内の情報を符号化するような様式で設定あるいは変更された特性の内、１又は複数を有する信号を意味する。例示すると、通信媒体には有線ネットワークすなわち直接有線接続等の有線媒体と、音響、ＲＦ、赤外線及び別のワイヤレス媒体等のワイヤレス媒体とが含まれるが、これに限定するものではない。上記の任意の組み合わせもまた、コンピュータ可読媒体の範囲に含まれるべきである。

図２及び図３を参照すると、一実施形態には、ＲＦＯＧ２００のＣＷ経路及びＣＣＷ経路で使用されている各々のエラー制御回路２１０、２２０が含まれている。各回路には、歪み検知及びサーボ（ＤＤ＆Ｓ又はＤＤＳ）部３１０、変調制御（ＭＣ）部３２０、振幅変調第２高調波生成器（ＡＭＳＨＧ）部３３０が含まれる。

説明を簡略化するために、以下においては、図２で説明されるＣＷ経路及びその構成素子に関して説明する。同一あるいは同様の原理が、図２で説明されるＣＣＷ経路及び図４で説明されるＣＣＷ回路に対しても一様に適用される。図３で最適に説明されているが、ＡＭＳＨＧ部３３０は、ＣＷ変調生成器２０によって生成された共振追尾変調信号の第２高調波での微小な変調信号及び、共振追尾変調と調和関係にない周波数で変調された振幅を出力するよう構成される。出力される信号の各成分を提供するために、ＡＭＳＨＧ部３３０には独立した生成素子３６０、３７０が含まれている。この注入された信号は、ＣＷ変調生成器２０で生成された信号と共に、ＭＣ部３２０の利得素子によって増幅され、且つ加算器２６によって合算される。結果として生じる信号は式（６）で与えられる。

式（６）において、右辺の第１項は、基本周波数ｆ_１での意図された変調であり、第２項は、基本周波数の第２高調波での不所望の変調であり、また第３項は、第２高調波での意図されたＡＭ変調信号である。
基本周波数でのみ振動する成分ｙは、式（７）で与えられる。これは、基本周波数での共振出力信号（バイアス・エラー）である。

ＣＷレーザ１２の周波数が実際の共振状態であり、且つＣＷ積分器２４の出力を加算器２６への対応する入力から切り離すことによって共振追尾フィードバック・ループがオープンである場合、ＣＷ復調器２２は、式（７）で示される信号の振幅と比例するＤＣ信号を出力することになる。そして、ＣＷ積分器２４の出力を加算器２６へ接続することにより共振追尾ループがクローズである場合、積分器はＣＷレーザがわずかに共振からはずれるよう制御する信号を生成することになる。これにより、共振ピークの一方の側に渡る意図された共振追尾変調によって、式（７）に示される振幅値と同等で逆方向の振幅を有する信号が生成されて、式（７）に示される信号を相殺することができ、結果的に復調器２２の出力が無効になる。共振周波数からの周波数の逸脱は、式（７）で示される信号の振幅と比例するレート・バイアス・エラーを生じさせることになる。

ＡＭＳＨＧ部３３０によって加えられた振幅変調の第２高調波変調信号は、変調制御部３２０における共振追尾変調信号と結合されて、加算器２６を通過し、ＣＷレーザＣＷ周波数制御部３８に至り、そこでレーザ周波数が変調される。レーザ周波数は、振幅変調の第２高調波周波数変調での変調成分を有している。この周波数変調成分を有するレーザ光が共振器を通過することで、共振器の光出力信号が生成される。この光出力信号は、角周波数ｃｏでの振幅変調による共振追尾変調周波数で生じる。ＣＷ光検出器１８は共振器の光出力を、復調器２２によって復調される電圧信号に変換する。意図的に振幅変調された第２高調波信号、意図しない第２高調波歪み変調、及び変調周波数で振動し且つＡＭ周波数で変調される振幅である共振追尾変調の結合から生じる復調器２２への入力信号は、以下の式で表される。

式（８）により表される信号は、最初にＣＷ復調器２２によって共振追尾変調周波数で復調され、次にＤＤＳ部３１０のＡＭ復調器３４０によってＡＭ周波数で再び復調される。第２の復調器３４０の出力信号は、式（８）で示される信号の振幅と比例するＤＣ信号になる。
意図しない及び意図された第２高調波変調の振幅が、共振追尾変調の振幅に比べて極微小であると想定される場合、高次項は無視されるので、これら第２高調波の振幅は、以下のように表すことができる。

式（９）は意図しない第２高調波変調からのバイアス・エラーを表し、式（１０）は意図的な第２高調波変調からのバイアス・エラーを表している。
２つのバイアス・エラー信号は、同じ共振追尾変調振幅（すなわち最適振幅）でゼロになる。

ＤＤＳ部３１０のサーボ素子３５０は、式（１０）で表現されるエラー関数からこの最適振幅を求め、且つ共振追尾信号の振幅をこの最適振幅に設定するよう構成される。すなわち、サーボ素子３５０は、ＡＭ（振幅）第２高調波変調によるエラー信号をゼロに制御することによって共振追尾変調の振幅を制御するよう機能し、それによって、意図しない第２高調波変調によるバイアス・エラーがゼロに制御される。

図４は、代替的な一実施形態であるＲＦＯＧ４００の説明であり、図２で説明されたＲＦＯＧ２００にＣＣＷ経路が１つ追加されたものであるが、それ以外に変更はない。ＲＦＯＧ４００はエラー制御回路２１０、２２０、２３０を含むが、これらは図２で説明された機能と同様又は同一であり、各々がＲＦＯＧ４００のＣＷ及びＣＣＷ経路にも組み入れられている。図４で示される構成に関して、バックスキャター・エラーを排除するためのスキームを実装するために、第３のレーザが追加されている。このスキームの詳細は米国特許番号７３７２５７４に記載されており、本明細書には参照によってこれを援用する。

本発明の好適な一実施形態が説明及び記載されたが、上述のように、本発明の精神及び範囲を逸脱しない限りは、多くの変更が可能である。従って、本発明の範囲は好適な実施形態の開示によって制限されるものではない。本発明は、以下に記載の特許請求の範囲によってのみ規定されるべきである。

Claims (3)

1. 基本周波数で第１共振検出変調信号を生成するよう構成された第１波信号生成器（２０）を有する共振型光ファイバ・ジャイロスコープ（ＲＦＯＧ）で実施される方法であって、
   少なくとも第２波信号生成器（３０）を用いて、第１変調信号の偶数高調波で第２変調信号を生成するステップと、
   加算素子（３６）を用いて、第１変調信号を第２変調信号に加えて共振出力バイアス・エラー信号を生成するステップと、
   エラー信号から最適振幅を決定するステップと、
   第１変調信号の振幅を最適振幅に設定するステップと
   を含むことを特徴とする方法。
2. 基本周波数で第１共振検出変調信号を生成するよう構成される第１波信号生成器（２０）を含む共振型光ファイバ・ジャイロスコープ（ＲＦＯＧ）（２００、４００）で実現されるエラー制御回路（２１０、２２０、３１０、３２０）であって、
   第１変調信号の偶数高調波で第２変調信号を生成し、且つ第２変調信号を第１変調信号及び第２変調信号を加算するよう構成された加算素子（３６）に提供する少なくとも１つの第２波信号生成器（３０）であって、第２変調信号は第１変調信号と調和関係にない周波数で振幅（ＡＭ）変調されている、第２波信号生成器（３０）と、
   加算された第１及び第２変調信号によって生成されたエラー信号から最適振幅を求めるよう構成されたサーボ素子（３５０）と
   を備えていることを特徴とする回路。
3. 請求項２記載の回路において、エラー信号は最適振幅が求められる前に第１変調信号の周波数で復調され、且つ該回路はさらに、
   最適振幅が求められる前に、第２信号周波数でエラー信号を復調するよう構成されたＡＭ復調素子（３２）
   を備えていることを特徴とする回路。

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